Nanoantenas - dispositivo, aplicación, perspectivas de uso

Hoy en día, un dispositivo alternativo para convertir la energía de la radiación solar en corriente eléctrica se denomina nanoantena, sin embargo, son posibles otras aplicaciones, y esto también se discutirá aquí. Este dispositivo funciona, como muchas antenas, según el principio de rectificación, pero a diferencia de las antenas tradicionales, funciona en el rango de longitud de onda óptica.

Las ondas electromagnéticas del rango óptico son extremadamente cortas, pero en 1972 esta idea fue propuesta por Robert Bailey y James Fletcher, quienes incluso entonces vieron la posibilidad de recolectar energía solar de la misma manera que lo hacen con las ondas de radio.

Debido a la longitud de onda corta del rango óptico, la nanoantena tiene dimensiones que no superan los cientos de micras de longitud (proporcional a la longitud de onda) y el ancho, ni más, ni menos, 100 nanómetros. Por ejemplo, las nanoantenas en forma de dipolos de nanotubos, para operar a frecuencias de cientos de gigahercios, pertenecen a tales antenas.

Alrededor del 85% del espectro solar está compuesto por ondas con una longitud de 0.4 a 1.6 micras, y tienen más energía que el infrarrojo. En 2002, el Laboratorio Nacional de Idaho realizó una investigación exhaustiva, e incluso construyó y probó nanoantenas para longitudes de onda que varían de 3 a 15 micras, lo que corresponde a energías de fotones de 0.08 a 0.4 eV.

En principio, es posible absorber la luz de cualquier longitud de onda utilizando nanoantenas, siempre que el tamaño de la antena se optimice en consecuencia. Entonces, desde 1973 hasta nuestros días, la investigación en el desarrollo de esta dirección se ha llevado a cabo continuamente.

En teoría, todo es simple. La luz incidente en la antena por las oscilaciones de su campo eléctrico provoca oscilaciones de electrones en la antena con la misma frecuencia que la frecuencia de la onda. Después de detectar la corriente con un rectificador, es suficiente convertirlo y puede suministrar energía para alimentar la carga.

La teoría de las antenas de microondas dice que las dimensiones físicas de la antena deben corresponder a la frecuencia de resonancia, pero los efectos cuánticos hacen ajustes, por ejemplo, el efecto de la piel a altas frecuencias es muy pronunciado.

A frecuencias de 190-750 terahercios (longitudes de onda de 0,4 a 1,6 micras) se necesitan diodos alternativos, cerca de los diodos de túnel basados ​​en metal-dieléctrico-metal, los normales no funcionarán, porque se producirán grandes pérdidas debido a la acción de los condensadores extraviados. Si se implementa con éxito, las nanoantenas superarán significativamente a las populares actualmente paneles solares en términos de eficiencia, sin embargo, el problema con la detección sigue siendo el principal.

En 2011, un grupo de físicos de la Universidad de Rice desarrolló una nanoantena para convertir la radiación infrarroja cercana en corriente. Las muestras eran una pluralidad de resonadores de oro dispuestos en una matriz a una distancia de 250 nm entre sí.

Las dimensiones del resonador eran de 50 nm de ancho, 30 nm de alto, y la longitud oscilaba entre 110 y 158 nm. La jefa del equipo de investigación, Naomi Galas, explicó en un artículo publicado que las diferencias en las longitudes corresponden a las diferencias en las frecuencias operativas.

Los elementos de oro estaban ubicados en la capa de silicio, y el punto de contacto era solo la barrera de Schottky. Una serie de resonadores estaba encerrada en una capa de dióxido de silicio, y los contactos estaban formados por una capa de óxido de indio y estaño.

Entonces, cuando la luz cayó sobre los resonadores, los plasmones de la superficie se excitaron: los electrones oscilaron cerca de la superficie del conductor, y cuando el plasmón se descompuso, la energía transferida se transfirió a los electrones.

Los electrones calientes cruzaron fácilmente la barrera de Schottky, creando una fotocorriente, es decir, resultó algo similar a un fotodiodo.La altura de la barrera de Schottky permitió detectar un rango que excedía significativamente las capacidades de los elementos de silicio, pero la eficiencia lograda fue solo del 1%.

En 2013, Brian Willis, científico de la Universidad de Connecticut, EE. UU., Realizó un estudio exitoso y dominó la tecnología de la deposición de la capa atómica. También creó una serie de nanoantenas rectificadoras, pero cuando los electrodos se terminaron de cortar con una pistola de haz de electrones, el científico recubrió ambos electrodos con átomos de cobre utilizando deposición de capa atómica para llevar la precisión a distancias de hasta 1.5 nm.

Como resultado, la pequeña distancia creó una unión de túnel para que los electrones pudieran simplemente deslizarse entre los dos electrodos bajo la influencia de la luz, creando las condiciones para una mayor generación de corriente. Este estudio está en curso, y la eficiencia esperada puede alcanzar el 70%.

En el mismo 2013, investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia, EE. UU., Realizaron simulaciones de nanoantenas de grafeno. El objetivo aquí era obtener antenas para intercambiar datos y crear redes para dispositivos móviles. El punto clave es el uso de ondas de electrones en la superficie del grafeno, que ocurren bajo ciertas condiciones.

La propagación de electrones en el grafeno tiene sus propias características, por lo que una antena pequeña basada en grafeno puede irradiar y recibir a una frecuencia relativamente baja, pero a un tamaño más pequeño que una antena de metal. Por esta razón, el profesor Iain Akiildiz persigue en este estudio precisamente el objetivo de crear una nueva forma de organizar las comunicaciones inalámbricas, en lugar de construir células solares.

Los electrones de grafeno bajo la acción de una onda electromagnética que proviene del exterior comienzan a emitir ondas que se propagan exclusivamente en la superficie del grafeno, este fenómeno se conoce como onda polarizada de plasmón superficial (onda SPP) y le permite construir antenas para el rango de frecuencia de 0.1 a 10 terahercios.

En combinación con transmisores basados ​​en óxido de zinc, donde se utilizan las propiedades piezoeléctricas de estos materiales, se construye una base para la comunicación inalámbrica con bajo consumo de energía, y se predice una velocidad de transferencia de datos 100 veces mayor que las tecnologías inalámbricas existentes.

A su vez, los científicos del Laboratorio de Metamateriales de San Petersburgo publicaron un artículo sobre "nanoantenas ópticas" en 2013, donde mostraron la posibilidad de usar nanoantenas ópticas para diversos fines, incluida la transmisión y el procesamiento de información a velocidades significativamente más altas que las actuales, ya que el fotón es más rápido que electron, y esto abre direcciones fundamentalmente nuevas.

El investigador principal del laboratorio, Alexander Krasnok, está seguro de que los chips de 5 milímetros que procesan hasta terabits de datos en un segundo son solo el comienzo, y en el siglo XXI nos espera una verdadera revolución fotónica.

Por supuesto, los científicos no descuidan el uso de nanoantenas en otras áreas, como la medicina y la energía. Una extensa publicación de los autores en la revista Uspekhi Fizicheskikh Nauk (junio de 2013, Volumen 183, N ° 6) ofrece una revisión exhaustiva de las nanoantenas.

El efecto económico de la introducción de nanoantenas es enorme. Entonces, por ejemplo, en comparación con las fotocélulas de silicio, el costo de un metro cuadrado de materiales para nanoantenas es dos órdenes de magnitud menor (silicio - $ 1000, una alternativa - de $ 5 a $ 10).

Es muy probable que en el futuro, las nanoantenas puedan alimentar automóviles eléctricos, cargar teléfonos móviles, proporcionar electricidad a los hogares, y los paneles solares de silicio utilizados hoy en día se convertirán en una reliquia del pasado.

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